KR100462926B1 - 스핀터널 자기저항효과막과 소자 및 이를 사용한 자기저항센서 및 자기 장치와 그 제조방법 - Google Patents

스핀터널 자기저항효과막과 소자 및 이를 사용한 자기저항센서 및 자기 장치와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

자계를 탐지하는 자성 박막 및 반강자성 박막을 통하여 교환 결합에 의하여 교환 바이어스가 적용되는 자성 박막이 적층되는 스핀터널 자기저항효과막에서, 자성 박막 또는 반강자성 박막 (PtMn, PdMn, NiMn) 이 하지층 (Ta, Zr, Hf) 위에 적층되고, 그 표면요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위에 있다. 표면요철을 제어하는데 사용되는 수단은 막 성장 챔버 내로 산소, 질소, 수소, 및 그 혼합 가스를 10-6Torr 내지 10-10Torr 의 진공에 도입하고, 막 성장 동안에 기판 온도를 0 ℃ 이하로 감소시키거나 하지층을 산화시킨다. 사용된 하부 전극층 재료는 고 유전율 비결정성 자성 재료 및 비자성 금속층의 막 적층이다.

Description

스핀터널 자기저항효과막과 소자 및 이를 사용한 자기저항 센서 및 자기 장치와 그 제조방법{SPIN TUNNEL MAGNETORESISTIVE EFFECT FILM AND ELEMENT, MAGNETORESISTIVE SENSOR USING SAME, MAGNETIC APPARATUS, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 신호와 같은 자성 매체 등에 기록된 정보인 자계 강도를 판독하기 위한 스핀터널 자기저항효과 소자와 이에 사용되는 스핀터널 자기저항효과막에 관한 것이며, 특히 본 발명은 작은 외부 자계를 가지고 커다란 출력을 얻는 스핀터널 자기저항효과막, 스핀터널 자기저항효과 소자, 및 스핀터널 자기저항효과 센서와 상기 소자를 사용하는 자기 장치에 관한 것이다.
강자성 터널접합은 수 나노미터의 두께를 갖는 절연 막으로 이루어진 터널 배리어층이 2 개의 강자성층 사이에 끼워진 구조를 갖는다. 이 실시예에서, 강자성층과 외부 자계 사이에 흐르도록 되는 특정 전류가 강자성 평면 내에 있는 경우, 저항값이 자성층들 사이의 자화의 상대적 각도에 대응하여 변하는 자기저항효과가 나타난다. 자화가 평행한 경우 저항값은 최소이며, 자화가 평행하지 않은경우 저항값은 그 각도에 따라서 변하며, 자화 시작점이 반대인 경우 저항은 최대이다.
따라서, 자성층에 보자력 차이가 있는 경우, 외부 자계의 강도에 대응하여 자화의 평행 또는 비평행을 확립하는 것이 가능하며, 저항값의 변화에 의하여 자계를 탐지하는 것이 가능하게 된다. 2 개의 자성층이 P1 과 P2 인 경우, 자계 감도를 확립하는 저항값 변화율은 2 P1 P2 / (1 - P1 P2) 로 표현된다. 본 식은, 자성층 모두의 극성이 클수록, 자기저항 변화율이 커진다는 것을 의미한다. 최근에, 터널 배리어층의 품질 향상에 따라, 20% 의 이론치에 가까운 자기저항 변화율을 나타내는 강자성 터널접합을 달성할 수 있게 되어, 자기 헤드 및 자기 메모리에 대한 응용 가능성의 증가를 가져왔다. 그러한 커다란 자기저항 변화율의 전형적으로 보고예가, Journal of Applied Physics, 79 권, 4724-4729 페이지 (1996년) 및 Journal of Applied Physics, 81 권, 3741-3746 페이지에 기재되어 있다. 이들 보고예에서, 20 nm Pt 전극이 실리콘 기판 위에 박막되어 있으며, 그 위에 4 nm NiFe 층, 10 nm FeMn 층, 8 nm NiFe 층, 1-3 nm Al 층이 형성되며, 그 후 산소 플라즈마가 8 nm NiFe 층을 교환 결합 자계에 노출시킴으로써 수반되는 Al 산화 막을 형성하는데 사용된다. 이 실시예에서, 22% 의 높은 자기저항 변화율이 달성된다.
Applied Physic Letters, 72 권, 605-607 페이지 (1998년) 에서, 반강자성체로서의 NiO 를 사용하고 실온에서 17% 의 자기저항 변화율을 갖는 Co/Al2O3/Co/NiO로 구성된 강자성 터널접합 소자의 보고가 있다. IEEE Transaction of Magnetics, 33 권, 3553-3555 페이지 (1997년) 에, 실온에서 24% 의 자기저항 변화율이 관측되며, 그 자기 히스테리시스가 스핀 밸브와 유사하며, 반강자성체로 FeMn 을 사용하는 NiFe/Co/Al-AlOx/Co/NiFe/FeMn/NiFe 로 구성된 강자성 터널접합 소자의 보고가 있다. 상술한 것과 같은 반강자성체를 사용하여 자화를 고정하는 방법이 종래의 스핀 밸브 막에서 사용되었으며, 이 보고된 예들은 강자성 터널접합에 대한 이 방법의 응용이라 할 수 있다.
그 소자의 자기 히스테레시스는 스핀 밸브 막과 유사하며, 제로 자장 영역에서 히스테레시스의 감소가 있다. 보자력 차이형 강자성 터널접합과 비교하여, 이 구성은 자기 센서와 같은 장치에 대한 응용에 적합하다.
강자성 터널접합 소자를 고밀도 자기 기록 헤드에 응용하기 위하여, 강자성체 중 하나가 그 응용된 교환 바이어스를 갖는 스핀 밸브 구조를 가지는 것이 이 방식에서 바람직하다. 여기서 사용되는 반강자성체는 장치 동작을 방해하지 않는 열 안정성 뿐만 아니라, 장치 제조 공정에서의 침식에 대한 높은 저항을 가져야 한다. 그러나, 상술한 보고에서, FeMn (블록킹 온도 150 ℃) 및 NiO (블록킹 온도 200 ℃) 의 낮은 블록킹 온도가 사용되는 경우, 열 안정성은 불충분하다.
이에 대한 이유는, 블록킹 온도가 낮은 경우, 소자가 동작하는 경우에 발생하는 온도 상승은 핀잉 (pin) 된 자계를 약하게 하며, (센서 전류 등에 의한 자계와 같은) 주위 자계의 결과, 핀잉된 층 자화 방향의 변화가 생기며, 자계 감도의강하가 발생한다.
고 블록킹 온도를 갖는 반강자성체의 경우에, 소자의 온도가 상승하는 경우라도, 핀잉된 층의 자화 방향이 변하는 것은 어려우며, 이는 감도의 저하를 초래한다. 특히, FeMn 은 양호하지 않은 침식 저항성을 가지며, 장치 제조 공정에서 해결되어야 할 문제가 남게 된다.
PtMn, PdMn, 및 NiMn 의 Mn 표준 합금은 300 ℃ 이상의 고 블록킹 온도를 갖는 반강자성체이다. 이들 Mn 표준 합금으로 구성된 반강자성체는 그 고 블록킹 온도로 인하여 뛰어난 열 안정성을 가지며, 또한 우수한 침식 저항성을 가지며, 강자성 터널접합 소자가 자기 헤드와 같은 장치에 응용되는 경우에 이 재료가 매우 유리하게 한다.
그러나, 이 재료는 막 형성 후 즉시의 상태에서 교환 결합 자계를 나타내지 않는다. 이에 대한 이유는, 막 형성 후 즉시의 상태에서 이 재료가 무질서 단계이기 때문이다.
따라서, 무질서 단계를 정규화하여 적당한 교환 결합 자계가 달성되도록 하기 위하여, 종래 (약 5 시간 동안, PtMn 의 경우에 250 ℃, PdMn 의 경우에 270 ℃, NiMn 의 경우에 270 ℃ 이상) 보다 더 높은 온도에서 장시간 동안 자계에서의 열 처리를 수행하는 것이 필요하다.
상술한 문헌에서의 스핀터널 자기저항효과 소자에서, 동작이 작은 외부 자계에서 행해지는 경우라도, 상용 센서 및 자기 헤드에 이를 사용하는 경우에는 FeMn 의 넬 (neel) 온도가 낮은 문제가 있으며, 장치에서의 양호하지 않은 열 안정성의문제를 초래한다. 높은 넬 온도를 갖는 PtMn, PdMn, 및 NiMn 등과 같은 재료가 반강자성 막으로 사용되는 경우, 반강자성 단계 (표준 단계) 를 달성하기 위하여 적당한 열처리를 수행하는 것이 필요하며, 이 열처리는 터널 배리어층 내의 산소 또는 질소의 확산, 및 저항 변화율의 감소, 즉 장치로 사용되는 경우에 출력의 감소와 같은 문제를 초래한다.
종래의 스핀터널 자기저항효과막을 제조하는 방법에 있어서, 스핀터널 소자의 저항은 매우 높은 100 Ω이었으며, 자기저항 탐지 시스템의 고주파수 응답의 열화의 영향 및 산탄 잡음의 영향은 고 기록 밀도에서 충분한 S/N 비의 달성을 방해한다.
터널 배리어층이 박막화되도록 제조되는 경우, 상술한 문제를 처리하기 위해 소자의 저항을 감소시키기 위하여, 핀홀 효과 때문에 전류 누설이 발생하는 문제가 있으며, 따라서 자기저항 변화율을 저하시키게 된다.
일본 공개공보 제 2000-215415 호의 개시에서 공지되었지만, 하부 차폐층의 표면요철이 3 nm 이하인 자기저항효과 소자에 관한 내용를 갖는 경우라도, 이 기술에서 낮은 차폐층의 표면요철이 3 nm 이하인 경우에는, 터널 배리어의 표면에 대하여 거의 실질적인 영향이 없으며, 의도한 자기저항효과 소자를 얻는 것이 가능하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은, 터널 배리어층이 박막화하여도 자기저항 변화율이 낮지 않고, 뛰어난 고주파수 응답 및 열안정성, 자기 헤드로의 응용에 있어 충분히 낮은 저항, 및 제로 자장 주위의 영역에서 높은 선형 자계 감도를 갖는 스핀터널 자기저항효과막 및 스핀터널 자기저항효과 소자를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음의 기본적 기술 구성을 채택한다.
본 발명은 하부층 및 적어도 2 개의 자성 박막이 그 사이에 개재된 터널 배리어층으로 박막되는 적층의 구성에 관한 것으로, 반강자성 박막은 터널 배리어층을 통하여 적층되는 자성 박막들 중 하나 (제 1 자성 박막) 에 인접하게 제공되며, 반강자성 박막에 따른 바이어스 자계가 Hr 이고, 다른 자성 박막 (제 2 자성 박막) 의 보자력이 Hc2 인 경우, 그 사이의 Hc2 < Hr 관계가 얻어진다.
하부층은 스핀터널 자기저항효과막에서의 평평함 및 다중층 막에서 명확한 계면를 나타내며, 이것은 Ta, Hf, Zr 또는 그 합금인 것이 바람직하다. Ta, Hf, Zr 또는 그 합금이 저층으로 사용되는 경우에, 박막 두께는 10 내지 100 Å 인 것이 바람직하다. 이것은, 10 Å 미만의 막 두께의 경우 저층으로서의 효과의 손실이 있으며, 100 Å 초과의 막 두께의 경우 하부층이 비결정성 상태에서 결정 상태로 변하여, 하부층으로서의 그 효과를 감소시키기 때문이다.
본 발명의 특징은, 적어도 하나의 층에 의해 형성되는 자성 박막이 이 하부층에 적층되며, 자성 박막의 표면의 평균 표면 요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있게 되는 것이다. 이 결과, 적층된 터널 배리어층의 연속성, 즉 막 두께의 균일성이 유지되며, 터널 배리어층과의 계면에서의 자성 박막의 산화가 억제되고, 따라서 큰 저항 변화를 얻게 된다. 부가적인 결과는, 터널 배리어층의 열 처리에 의해 초래되는 열화의 개선이다.
본 발명의 반강자성 박막에 사용되는 반강자성 재료가 PtMn, PtMn-X (여기서, X 는 Ru, Ir, Cr, Fe, Co, Ni, Pd, 또는 Rh), PdMn, 및 NiMn 로 구성되는 그룹으로부터 하나 또는 2 이상의 형으로 선택되는 것이 바람직하다. 반강자성 박막의 막 두께가 50 내지 350 Å 의 범위에 있는 것이 바람직하다.
50 Å 이하에서, 이 반강자성 박막의 상태 변화가 불충분하므로, 충분한 교환 바이어스 자계는 획득되지 않는다. 교환 바이어스 자계의 획득에 관하여 상한이 없는 경우라도, 두께가 350 Å 을 초과하는 경우에는, 스핀터널 자기저항효과 소자의 쉴드 간의 간격이 커지므로, 외부 신호의 판독 정확성이 열화된다.
본 발명에서, 하부층에 인접하는 강자성층을 적층하는 것에 의하여, 스핀터널 자기저항효과막의 층 구성이 향상되며, 큰 자기저항 변화율을 얻는 것이 가능해진다. 반강자성층의 평균 표면요철이 하부층에 Ta, Hr, Zr, 또는 그 합금을 사용하여 향상되며, 그 요철은 0.1 내지 5 Å 의 범위인 것이 특히 바람직하다. 평균 표면요철이 5 Å 을 초과하는 경우에, 적층되는 자성 박막 등의 계면층의 평균 요철이 증가하며, 터널 배리어층의 막 두께의 균일성이 열화된다.
반강자성층의 평균 표면요철을 0.1 내지 5 Å 의 범위 내로 유지하는 것에 의하여, 자성 박막 또는 그 유사 적층에서의 명확한 계면가 있게 되며, 열처리에 의한 터널 배리어층의 열화, 및 그에 수반되는 저항 변화의 저하가 개선된다. 본 발명에서, 반강자성 박막 및 인접하는 그 적층된 자성 박막이 자계에서 200 ℃ 내지 300 ℃ 에서 열처리되며, 자성 박막의 단일축 이방성의 달성이 가능해진다.
본 발명에서, 0.1 내지 5 Å 의 범위에서 상술한 자성 박막 표면의 평균 표면요철을 달성하기 위하여, 산소, 질소, 수소 또는 이들의 혼합 가스가 10-6내지 10-9Torr 의 범위의 분압으로 막 형성 챔버 내로 도입된다.
하부층 재료 표면의 적당한 산화를 유발시키는 것에 의하여, 그 적층되는 자성 박막의 결정 입자 성장이 억제되며, 평균 표면요철을 감소시키는 것이 가능하게 된다. 자성 박막의 평균 표면요철을 0.5 내지 5 Å 의 범위로 제어함에 있어서, 막 형성 동안에 기판을 0 ℃ 이하로 냉각시키는 것이 효과적이다. 이것이 행해지는 경우, 결정 입자 성정이 자성 박막에서 억제되며, 보다 우수한 평평함을 갖는 박막을 얻는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 터널 자기저항효과 소자에서의 하부 전극 재료가 높은 유전율 및 쉴드와 비자성 금속 전도층으로서의 효율성을 갖는 비결정성 자성 재료의 박막인 것이 바람직하다.
이 경우에 있어, 고 유전율 비결정성 재료가 터널 자기저항효과막의 평평도를 향상시키는 효과를 가지며, 비자성 금속성 전도층과 같은 종류의 효과를 달성하는 것이 가능하다. 고 유전율 비결정성 자성 재료가 주 구성성분으로 CoZr 을 갖는 합금인 것이 바람직하다. 특히, 이것은 CoZrNb, CoZrMo, CoZrTa, 및 CoZrTaCr 등인 것이 바람직하다.
위의 적층된 금속성 전도층에 관하여 특별한 제한은 없지만, 적어도 하나의 Ta, Zr, Hf, Pt, Ru, Au, Cu, Mo 형 또는 합금, 또는 2 이상의 형들의 층으로, 비결정성 자기층 상에 적층된 우수한 평평도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 터널 배리어층은 적어도 2 개 층의 Al 산화 또는 질화 막, Ta 산화 막, 또는 Mg 산화 막인 특징을 갖는다. 이것은 정적 터널 배리어의 형성을 달성하며, 높은 자기저항 변화율의 달성을 가능하게 한다. 본 발명의 터널 배리어층이 산소기, 질소기 또는 산소 또는 질소를 포함하는 다른 가스를 10-7Torr 내지 10-10Torr 의 진공 내로 도입함으로써 형성되며, 산화 또는 질화를 수행하게 된다.
이를 행함으로써, 수분, 탄소 산화물, 또는 질소 산화물에 의한 오염이 억제되며, 소자 저항성 및 우수한 균일성의 우수한 제어를 달성할 수 있게 된다. 실험치로부터, 터널 배리어층의 두께가 3 내지 12 Å 의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
즉, 터널 배리어층이 12 Å 보다 두꺼워지는 경우, 터널접합 저항에 있어 현저한 증가가 있게 되어, 고주파수 응답의 열화를 초래하며, 이것은 자기저항효과 소자로서의 사용에 바람직하지 않게 된다. 한편, 막 두께가 3 Å 이하인 경우, 자성 박막들의 자성 상태들 간의 상호작용이 과도하게 커지므로, 직접 자기 연결 (핀홀) 의 발생을 피할 수 없게 되며, 2 개의 자성 박막의 자화 방향성의 차이가 있는 상태를 초래한다. 핀홀을 통해 통과하는 누설 전류의 영향이 현저해지며, 자기저항 변화율의 감소가 있게 된다. 본 발명의 자성 박막에 사용되는 자성 재료는 NiFe, Co, FeCo, NiFe, NiFeCo, 또는 이들의 합금인 것이 바람직하다.
상기 단계를 행함으로써, 터널 배리어층과 자성 박막 간의 계면에서 큰 스핀 편극을 달성하는 것이 가능해지며, 따라서 큰 저항 변화율을 달성하게 된다. 본 발명에서는, 자성 박막이 이들 자성 재료들로부터 선택됨으로써 형성된다. 특히, 적층 터널 배리어층으로 박막된 2 개의 자성 박막 중에서 반강자성 박막과 인접하지 않는 자성 박막 (제 2 자성 박막) 의 재료는 보자력 Hc2 보다 큰 이방성 자계 Hk2 를 갖는다.
또한, 막 두께를 작게 함으로써 이방성 자계가 만들어질 수 있다. 예컨대, NiFe 두께가 약 10 Å 로 제조되는 경우, 이방성 자계 Hk2 를 보자력 Hc2 보다 크게 할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 스핀터널 자기저항효과막에서, 자성 박막의 자화용이축은 신호 자화 방향의 수직 방향이며, 적용된 신호 필드 방향에서의 자성 박막의 보자력은 Hc2 < Hk2 < Hr 이다. 자화용이축이 이 방식에서 신호 자화 필드 방향에 직교하도록 확립되는 경우, 바크하우젠 (Barkhausen) 잡음을 억제하는 것이 가능하다. 또한, 이 방식에서 자화용이축의 제어가 자계에서 막을 형성하는 것에 의해 공정 동안에 행해질 수 있다.
그 사이의 터널 배리어층으로 적층된 2 개의 자성 박막 중, 반강자성 막과 인접하는 자성 박막 (제 1 자성 박막) 및 반강자성 막과 인접하지 않는 자성 박막 (제 2 자성 박막) 의 자화용이축 방향이 직교하게 교차하도록 제조될 수 있다. 또한, 자계에서 기판을 90 도 회전시킴으로써, 이를 달성할 수 있다.
자계를 탐지하는 자성 박막 (제 2 박막) 의 막 두께가 100 Å 미만인 것이바람직하다. 막 두께가 200 Å 을 초과하는 경우, 소자가 커짐에 따라 사용될 때의 카운터 마그네틱 (counter magnetic) 에 대한 수반되는 영향이 있으며, 외부 자계에 관하여 감도의 열화가 있게 된다. 한편, 자성 박막의 두께가 3 Å 미만인 경우, 자성 박막에서 발생하는 불연속 경향이 있게 되며, 따라서 자기저항 변화를 감소하게 한다. 이것이 박막의 균일성의 유지를 용이하게 하므로, 막의 두께를 3 Å 초과하게 하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 포화 자화는 충분히 작아지지 않는다. 자성 박막 및 터널 배리어층 간의 계면에 Co, Fe, FeCo, 또는 NiFeCo 를 삽입함으로써, 전도 전자의 스핀 편극의 증가가 있게 되어, 훨씬 큰 저항 변화를 달성할 수 있게 한다. 삽입된 막의 두께의 하한은 1 Å 이다. 이 두께 미만에서는, 삽입의 유효성의 감소는 물론 막 두께의 제어의 어려움이 있다.
막 두께에 대한 특별한 상한이 없더라도, 대략 20 Å 인 것이 바람직하다. 이 두께를 초과하는 경우, 자계를 탐지할 수 있는 자성 박막 (제 2 박막) 의 연자기 특성의 열화가 있게 되며, 자기저항효과 소자의 동작 영역에서의 출력이 히스테레시스를 나타내게 된다.
본 발명에서, 3 개 층의 자기 막/비자성 박막/자기 막이 반강자성 막과 그 반강자성 막에 인접하는 자성 박막 (제 1 자성 박막) 간에 반강자성적으로 결합되어 있는 구성을 채택하는 것이 바람직하다.
상기 단계를 행함으로써, 반강자성 막으로 인한 교환 바이어스 필드에서의 현저한 증가가 있으며, 스핀터널 자기저항효과 소자의 열 안정성이 향상된다.또한, 자계를 탐지하는 제 2 박막과 제 1 박막 간의 정적 상호작용의 감소가 생기며, 스핀터널 자기저항효과 소자의 출력이 향상된다. 반강자성적으로 결합된 3 개 층의 막에서의 비자성적 박막은 Ru, Cr, Rh, Ir, 또는 상기 그룹으로부터 선택된 2 이상의 구성요소인 것이 바람직하다.
상기 단계를 행함으로써, 반강자성적으로 결합된 3 개 층의 막의 포화 자계가 커지게 되며, 스핀터널 자기저항효과 소자로 사용되는 경우의 열 안정성의 향상이 있게 된다. 이것이 행해지는 경우, 매우 큰 반강자성 결합 필드가 달성되므로 반강자성적으로 결합된 3 개 층의 막에서의 비자성 박막의 두께는 4 내지 10 Å 의 범위에 있는 것이 바람직하다. 반강자성적으로 결합된 3 개 층의 막의 자성층은 Co, FeCo, NiFe, 또는 NiFeCo 로 구성된다. 이 재료들을 사용하는 것에 의해, 큰 반강자성적 결합이 달성될 뿐만 아니라, 큰 저항 변화도 달성된다.
또한, 상술한 바와 같은 스핀터널 자기저항효과막에 있어, 영구 자석 막을 외부 자계를 탐지하는 자성 박막 (제 2 자성 박막) 의 자화용이 방향과 접하게 하여, 반강자성 막에 인접하지 않는 자성 박막이 되게 함으로써, 자기 영역 안정성을 달성하고, 바크하우젠 점핑 (jumping) 으로 인한 경우와 같은 비선형 출력을 피할 수 있게 된다.
영구 자석 막이 CoCr, CoCrTa, CoCrTaPt, CoCrPt, CoNiPt, CoNiCr, CoCrPtSi, 또는 FeCoCr 등인 것이 바람직하다. 그러한 영구 자석 막의 하지층으로 Cr 을 사용할 수 있다. 기판으로 유리, Si, MgO, Al2O3, GaAs, 페라이트 등을 사용하는 것이 가능하다.
전송 전자 현미경, 스캐닝 전자 현미경, 오제 (auger) 전자 분광기 등에 의하여 자기 또는 바자성 박막의 막 두께가 측정될 수 있다. X 레이 회절을 사용하거나 또는 고속 전자 빔 회절을 사용하여 박막의 결정형 구조가 증명될 수 있다. 원자력 (전자) 현미경을 사용하여 박막의 평균 요철을 측정하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과막에 있어, Ta, Hf, Zr, 또는 Ti 등을 보호 막으로서의 최상위층에 적층하여 산화를 억제하는 것이 가능하다.
도 1a 는 본 발명의 제 1 실시예에서 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분 단면도.
도 1b 는 본 발명의 제 2 실시예에서 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분 단면도.
도 2a 는 본 발명의 제 3 실시예에서 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분 단면도.
도 2b 는 본 발명의 제 4 실시예에서 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분 단면도.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀터널 자기저항 센서의 구성의 일례를 나타내는 경사도.
도 4a 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자의 동작원리를 도시하는 B-H 곡선 그래프.
도 4b 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자의 동작원리를 도시하는 R-H 곡선 그래프.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀터널 자기저항효과막의 제조공정을 도시하는 개략도.
도 6 은 자성 박막 표면요철과 배리어층 두께에 대한 본 발명의 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 접합저항의 의존성을 나타내는 그래프.
도 7 은 자성 박막 표면요철과 배리어층 두께에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 저항 변화율의 의존성을 나타내는 그래프.
도 8 은 접합저항과 자성 박막 표면요철에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 저항 변화율의 의존성을 나타내는 그래프.
도 9 는 막 형성시에 도입되는 가스 분압에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 자성 박막 표면요철의 의존성을 나타내는 그래프.
도 10 은 하부층의 산화시에 도입되는 산소 분압에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 자성 박막 표면요철의 의존성을 나타내는 그래프.
도 11 은 하부층의 산화시에 도입되는 산소 분압에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 저항 변화율의 의존성을 나타내는 그래프.
도 12 는 기판 온도에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 자성 박막의 표면요철의 의존성을 나타내는 그래프.
도 13 은 비자성 박막 두께에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 포화 자계의 의존성을 나타내는 그래프.
도 14 는 여러 배리어층 재료의 터널배리어층 두께에 대한 본 발명에 따른스핀터널 자기저항효과 소자에서의 자기 변화율의 의존성을 나타내는 그래프.
도 15 는 계면 자기층 삽입두께에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서의 자기변화율의 의존성을 나타내는 도면.
도 16 은 본 발명에 따른 차폐형 스핀터널 자기저항효과 소자를 나타내는 부분 단면도.
도 17 은 본 발명에 따른 요크형 스핀터널 자기저항효과 소자를 나타내는 부분 단면도 및 정면도.
도 18a 와 도 18b 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자의 MR 곡선 그래프.
도 19 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자를 사용하는 자기 기록 및 재생 장치의 구성을 나타내는 개략도.
* 도면의 주요부호에 대한 설명*
1 : 하지층 2 : 반강자성 박막
3A : 제 3 자성 박막 3B : 비자성 박막
3C : 제 1 자성 박막 4 : 제 1 자성 박막
5 : 터널배리어층 6 : 제 2 자성 박막
7 : 상부전극층 8 : 영구 자석 박막 또는 반강자성 박막
9 : 하부전극층 10 : 기판
11 : 스핀터널 자기저항효과막 12 : 절연층
13 : 상부전극층 14 : 상부 쉴드
15 : 하부 쉴드 16 : 요크
17 : 홈 18 : 페라이트 기판
20 : 매체 101 : 구동 모터
102 : 자기 기록 매체 103 : 기록재생 헤드
104 : 서스펜션 105 : 아암
106 : 액츄에이터 107 : 기록재생 채널
108 : 제어 유닛
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 관련 첨부도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자에서, 반강자성 박막이 자기박막들중의 하나에 인접 (또는, 그 사이에 반강자성적으로 결합된 3 층막의 개재를 통한 인접) 하여 형성되고, 교환 바이어스가 동작하는 것이 필요하다.
이러한 이유는, 본 발명의 원리가, 인접 자성 박막의 자기 방위가 서로 반대일 경우에 최대 저항이 나타내는 것이기 때문이다. 따라서, 본 발명에서, 도 4a 에 나타낸 바와 같이, 외부 자계 (H) 가 자성 박막의 이방성 자계 (Hk2) 과 자성 박막들 중 하나의 보자력 (Hr) 사이, 즉, Hk2<H<Hr 일 때, 인접 자성 박막들의 자화 방향은 서로 반대가 되어 저항이 증가한다.
도 3 은 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 박막을 이용한 자기저항 (MR) 효과 소자의 일례의 경사도이다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 이러한 MR 센서는 기판 (10) 상에 형성되는 스핀터널 자기저항효과 막 (11) 에 의하여 형성되고, 이 기판 (10) 에는 제 1 반강자성 막이 형성되며, 자성 박막 (4,6) 의 자화용이축들은 그 사이에 터널 배리어층을 두어 수직하게 교차하도록 야기되며, 자기 기록 매체로부터 방출된 신호 자계가 자성 박막 (6) 의 자화용이 방향에 수직이 되도록 한다.
상술한 조건하에서, 제 1 자성 박막 (4) 은 3A, 3B, 3C 에 의하여 형성되는 3 층막에 반강자성적으로 결합되어 인접하며, 교환 바이어스 자계는 단축 이방성을 전하도록 반강자성 자성 박막 (2) 에 의하여 인가된다. 신호자계의 강도에 대응하여, 제 2 자성 박막 (6) 의 자화 방향을 회전시킴으로써, 필드는 저항의 변화에 의하여 탐지된다. 소자 저항은 자기저항 탐지시스템에서 주파수응답 또는 S/N 비에 크게 영향을 주며, 100 Ω이상에서는, 자기헤드로서 사용하기에 충분하지 않다.
출력이 소자저항에 비례하기 때문에, 이 소자저항이 40 Ω내지 100 Ω의 적절한 범위에 있을 것이 요청된다. 외부 자계, 보자력, 및 자화 방향 간의 관계는 다음과 같다. 도 4a 에 나타낸 바와 같이, 교환 바이어스된 자성 박막 (제 1 자성 박막; 4) 상의 교환 바이어스는 Hr 이고, 다른 자성 박막 (제 2 자성 박막; 6) 의 보자력은 Hc2 이며, 이방성 자계는 Hk2 (0<Hk2<Hr) 이다.
통상, 교환 바이어스된 자성 박막은, 포지티브 자계에 대하여 역방향 자계 (Hrk2), 네거티브 자계에 대한 역방향 자계 (Hrk1) 을 갖는 히스테리시스를 나타낸다. 이러한 조건하에서는, 식 Hr=(Hrk1+Hrk2)/2 이 충족된다. 우선, 자계 (H) 은 H<-Hk2 (영역 A) 이도록 인가된다. 이 시점에서, 자성 박막 (4, 6) 의 자화 방향은 (네커티브) H 와 동일하다.
다음, 외부 자계가 약화될수록, -Hk2<H<Hk2 (영역 B) 의 조건에서, 자성 박막 (6) 의 자화는 양의 방향으로 회전하며, Hk2<H<Ha2 (영역 C) 의 조건에서, 자성 박막들 (4,6) 의 자화는 반대이다. 외부 자계가 더욱 커지면, Ha<H<Hrk2 (영역 D) 에서, 자성 박막 (4) 의 자화는 반전되고, Hrk2<H (영역 E) 조건에서는, 자성 박막 (4) 과 자성 박막 (6) 양자 모두의 자화 방향이 양의 방향이 된다. 도 4b 에 나타낸 바와 같이, 이러한 박막의 저항은 자성 박막 (4, 6) 의 상대적 자화 방향에 따라 변화하며, 이러한 변화는 자계가 0 인 영역에서는 선형이며, 영역 C 에서 최대값 (Rmax) 를 취한다.
본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자의 일 실시예를 관련 첨부도면을 참조하여 이하 설명한다. 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 소자의 실시예들의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1a 에서, 스핀터널 자기저항효과 소자는 기판 (10) 상에 형성되는 하부 전극층 (9), 하지층 (1), 및 반강자성 박막 (2) 을 갖고, 이 기판 위로 제 1 자성 박막 (4) 와 제 2 자성 박막 (6) 이 형성되며, 터널 배리어층은 제 1 자성 박막 (4) 과 제 2 자성 박막 (6) 사이에 배치된다. 이 상술한 배열 위에 추가적으로 상부 전극층 (7) 이 있다.
상술한 구조에서, 자성 박막들은 FeCo, NiFe, NiFeCo 중의 적어도 하나의 층으로 이루어진다.
반강자성 박막 또는 영구 자석 박막 (8) 은 제 2 자성 박막 (6) 의 양 측면과 접촉하도록 배치된다.
도 1b 에서, 스핀터널 자기저항효과 소자는 하부 전극 (9), 하지층 (1), 제 2 자성 박막 (6), 제 1 자성 박막 (4) 을 갖고, 제 1 자성 박막 (4) 과 제 2 자성 박막 (6) 사이에 터널배리어층 (5) 을 더 갖는다. 이 배열 위에 추가적으로 반강자성박막 (2) 과 상부 전극층이 있다.
반강자성 박막 또는 영구자석 박막 (8) 은 제 2 자성 박막 (6) 과 접촉하도록 배치된다.
도 2a 에서, 스핀터널 자기저항효과 소자는 기판 (10) 상에 형성되는 하부전극층 (9), 하지층 (1), 및 반강자성 박막 (2) 을 가지며, 이 기판 위에 반강자성적으로 결합된 제 3 자성 박막 (3A) 및 제 4 자성 박막 (3C) 을 그 사이에 비자성 박막을 개재하여 형성되고, 제 1 자성 박막 (4) 은 이것과 인접 접촉하게 된다. 이 위에, 터널배리어층 (5), 및 제 2 자성 박막 (6) 과 상부 전극층 (7) 이 더 형성된다.
반강자성 박막 또는 영구자석 박막은 제 2 자성 박막 (6) 에 접촉하도록 배치된다.
도 2b 에서, 스핀터널 자기저항효과 소자는 하부 전극층 (9), 하지층 (1), 제 2 자성 박막 (6), 및 터널배리어층 (5) 을 갖는다. 이 위로, 소자는 제 1 자성 박막 (4), 및 반강자성적으로 결합된 제 4 자성 박막 (3C) 과 제 3 자성 박막 (3A) 을 그 사이에 비자성 박막 (3B) 을 개재하며, 이 위에 또한 반강자성 박막 (2) 과 상부 전극층 (7) 이 적층된다. 반강자성 박막 또는 영구자적 박막 (8) 은 제 2 자성 박막 (6) 과 접촉하도록 배치된다.
상술한 도 1a 와 도 2b 의 화살표는 도면의 평면에 수평한 자화용이축의 형성을 나타내며, 동일한 방식으로, 그 안의 원들에 있는 X 들은 도면의 후면으로부의 관측자를 향하며 가리키는 자화용이축의 형성을 나타내며, 이는 도면의 평면에 수직이다. 그 안에 흑점이 있는 원들은 도면의 정면으로부터의 관측자로부터 가리키는 자화용이축의 형성을 가리키며, 이들 또한 도면의 평면에 수직이다.
본 발명은 이하 첨부된 청구항에 인용되는 재료들과 관련하여, 실험의 결과로부터 (도출되는) 본 발명의 실시예들의 형태로 설명된다.
도 5 는 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과막의 막형성 공정을 나타낸다.
AlTiC 기판이 사용되며, 이는 10-8Torr 이하로 만들어진 진공장치에 위치된다. 이 기판온도는 실온 내지 액체수소의 온도로 유지되며, 하부 전극층 (9) 과 하지층 (1; Ta,Zr, Hf) 이 성장되며, 산소는 적절한 분압 (바람직하게는, 10-2에서 10-8Torr 까지) 으로 도입되고, 표면은 산화가 야기된다.
산화단계는 10-7보다 크지 않은, 바람직하게는 10-8Torr 보다 작은 진공을 생성함으로써 행해지며, 그 후에, 산소가 규정된 분압으로 도입된다. 이를 행한 후에, 산소 또는 수소 또는 질소는 10-6에서 10-9까지의 범위 (또는, 보다 바람직하게는, 10-7에서 10-8Torr 까지) 의 분압으로 도입된다.
그 후, 반강자성 박막 (2) 과 자성 박막 (3A, 3B, 3C) 등이 연속적으로 형성된다. 이를 하면서, 반강자성 박막 (2) 과 자성 박막 등을 형성할 때, 기판온도가 0°C 보다 크지 않게 하는 것이 바람직하다.
이러한 방식으로 기판 온도를 제어함으로써, 형성되는 막의 평균 표면요철을 평평하게 하는 것이 가능하다.
다음, 막은 제 1 자성 박막 (4) 과 터널배리어층 (5) 으로서 기능하는 Al 또는 Ta 또는 Mg 으로서 형성되고, 그 후 계속하여 진공레벨이 10-7내지 10-10Torr 사이의 범위 내로 산소, 질소 또는 산소 또는 질소기를 갖는 가스가 도입되어, 이러한 Al, Ta, 또는 Mg 가 산화 또는 질화되어 터널배리어층 (5) 을 형성한다.
자계를 탐지하는 제 2 자성 박막 (6), 및 상부 전극층 (7) 은 기판 위에 형성된다. 이를 행할 때, 막형성 동안에 인가되는 자계는 90°회전하여, 터널배리어층 (5) 을 개재하여 반강자성 박막 (2) 에 인접한 제 1 자성 박막 (4) 의 자화용이축과 이에 인접한 제 2 자성 박막 (6) 의 자화용이축을 서로 수직이 되도록 한다.
다음, 3 kOe 내지 20 kOe 의 DC 자계가 교환 결합층의 자화용이 방향에 인가될 때, 상술한 적층은 가열 노에 위치하여, 200°내지 300°C 에서 열처리를 하고, 스핀터널 자기저항효과막이 된다.
보다 상세하게는, 이 막 형성은 NdFeB 자석을 기판 양측에 위치하고 기판에 수평하게 대략 3000 Oe 의 외부 자계를 인가함으로써 행한다.
이 샘플의 B-H 곡선이 측정되면, 필드 형성시에 자계의 인가방향은 자성 박막의 자화용이축 방향이 된다. 아래에 설명한 스핀터널 자기저항효과막은, 자성 박막과 비자성 박막에 대하여 약 초당 0.2 Å 내지 2.0 Å 의 막 성장 레이트로 형성된다.
예를 들면, Sub/CoZrTa (1㎛)/Zr (30 Å)/PtMn (250)/CoFe (30)/Al (7)-ox/CoFe (10)/NiFe (60)/Zr (30) 의 표시는 1 ㎛ CoZrTa 박막, 30 Å Zr 박막, 250 Å PtMn 반강자성 박막, 30 Å CoFe 박막, 7 Å Al 박막, 그 후, 산화처리가 행해진 후 10 Å CoFe 박막, 60 Å NiFe 박막, 및 30 Å Zr 박막의 순서로 기판상에 연속적인 막형성을 의미한다.
이렇게 형성된 스핀터널 자기저항효과막은 소자 형태를 형성하도록 이온 밀링 및 포토리소그래피를 받게 된다. 우선, 하지층의 형태를 갖는 포토레지스트 (PR) 가 형성되고, 밀링이 최하부층 전극까지 행해진다.
그 다음, 이 포토레지스트는 제거되고, 접합크기를 갖는 새로운 포토레지스트가 하부 전극 형태의 스핀터널 자기저항효과막 (TMR 막) 위에 형성되고, 밀링은 배리어층까지 행해진다.
그 후, 접합 크기 포토레지스트를 그 자리에 남겨둔 채로, 절연층 (Al2O3) 이 전극들 사이에 성장된다. 그 후, 이 접합크기 포토레지스트는 제거되고, 상부 전극층이 더 형성된다. 이 상부 전측형 형태의 포토레지스트를 형성한 후, 이온 밀링은 상부전극층을 머시닝을 행한 후, 소자처리가 완성되는 지점의 포토레지스트는 제거된다. 완성된 소자의 저항값은 4 단자법을 이용하여 측정되고, 자기저항 특성이 향상된다.
자기저항 측정은, 외부 자계를 -700 Oe 내지 +700 Oe 로 변경하는 한편, 4 단자법을 이용하여 행하여, 표면내에서 전류흐름에 수직하고, 자기저항 변화율 △R/R 은 측정된 저항값으로부터 결정된다. 이 자기저항 변화율 △R/R 은, 최대저항값을 Rmax, 최소저항값을 Rmin 으로 하여, 다음과 같이 계산된다.
△R/R=(Rmax-Rmin)/Rmin 100%
스핀터널 자기저항효과 소자의 접합저항은 소자크기가 1 ㎛ 제곱 (소자저항은 스핀터널 자기저항효과막이 원하는 소자크기로 머시닝될 때의 저항) 으로 패터닝되는 경우의 저항에 대하여 정규화된다.
원자력 마이크로스코프 (atomic force microscope) 를 사용하여, (표면요철로서) 평균표면요철은 0.1 ㎛ 제곱에 대하여 측정되었다.
자화의 측정은 진동하는 샘플 자기계를 이용하여 수행하였다.
제조된 스핀터널 자기저항효과막들이 아래에 나타나 있다.
1. Al-Ox 터널배리어층
a. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
b. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PdMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
c. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
d. Sub/CoZrX (1㎛)/PtMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
e. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/FeMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
f. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiFe (1-100)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10-100)/NiMn (30-400)/Ta(5-50)
g. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiFe (1-100)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PdMn (30-400)/Ta(5-50)
h. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiFe (1-100)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PtMn (30-400)/Ta(5-50)
i. Sub/CoZrX (1㎛)/NiFe (1-100Å)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10-100)/PtMn (30-400)/Ta(5-50)
j. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiFe (1-100)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10-100)/FeMn (30-400)/Ta(5-50)
2. Al-Nx 터널배리어층
a. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
b. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PdMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
c. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-100)/Al (3-20)-Nx/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
3. Ta-Ox 터널배리어층
a. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiMn (30-400)/CoFe (10-100)/Ta (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
b. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PdMn (30-400)/CoFe (10-100)/Ta (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
c. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-100)/Ta (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
4. Mg-Ox 터널배리어층
a. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiMn (30-400)/CoFe (10-100)/Mg (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
b. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PdMn (30-400)/CoFe (10-100)/Mg (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
c. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-100)/Mg (3-20)-Ox/CoFe(1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
5. CoFe/(Ru,Cr,Rh,Ir)/CoFe 자기층
a. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFe (0-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
b. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFeCo (0-40)/Al (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
c. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFe (0-40)/Al (3-20)-Nx/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
d. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFeCo (0-40)/Al (3-20)-Nx/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
e. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFe (0-40)/Ta (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
f. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFeCo (0-40)/Ta (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
g. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFe (0-40)/Mg (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
h. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/PtMn (30-400)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/NiFeCo (0-40)/Mg (3-20)-Ox/CoFe (1-40)/NiFe (1-100)/Ta(5-50)
i. Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (10-100Å)/NiFe (1-100)/CoFe (1-40)/Al (3-20)-Ox/NiFe (0-40)/CoFe (10-50)/(Ru,Cr,Rh,Ir) (4-16)/CoFe(10-50)/PtMn (30-400)/Ta(5-50)
도 6 은 자성 박막 표면요철 및 배리어층 두께에 대한 접합저항의 의존성을 도시한다.
본 발명에 사용되는 접합저항은 소자크기가 1㎛2경우의 저항에 대하여 정규화된다 (되었다).
이 도면에서 나타내는 표면높이 요철은 Sub/CoZrX (1㎛)/Ta (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/Ru (6)/CoFe(20)/NiFe (10)/Al (3-20)-Ox/CoFe (10)/NiFe (50)/Ta(50) 으로 막이 구성된 반강자성 박막 (PtMn) 과 평균표면 높이 요철의 값을 의미한다.
평균표면 높이 요철이 증가하면, 배리어층이 형성될 때, 누설전류의 영향이 발생하고, 접합저항값은 감소하는 것을 볼 수 있다. 비록 Sub/CoZrX (1㎛)/Ta (10-100Å)/NiFe (50)/CoFe (10)/Al (3-20)-Ox/NiFe (10)/CoFe(20)/Ru (6)/CoFe (20)/PtMn (200)/Ta(50) 의 역방향 적층순서로도, 유사한 결과를 획득하였다.
도 7 은 자성 박막 표면요철 및 배리어층 두께에 대한 저항변화율의 의존성을 도시한다.
박막구조는 도 6 에 나타낸 것과 동일하며, 평균 표면 높이의 요철이 증가하면, 배리어층이 형성될 때의 누설전류의 영향이 발생하여, 저항변화율이 감소한다.
즉, 평균 표면요철이 증가하면, 터널배리어층 박막을 형성시에, 누설 전류가 발생하여, 저항변화율의 현저한 감소가 생긴다. 특히, 이 터널배리어층이 15 Å 이하일 경우에는, 평균 표면요철 제어의 영향은 크게 되고, 15 % 이상의 저항변화율을 달성하기 위해서는, 평균 표면요철을 5 Å 보다 크지 않게 하는 것이 요청된다.
더욱이, 도 6 을 참조하면, 이러한 경우, 접합저항을 100 Ω㎡ 보다 작은 (1 ㎛ 제곱을 측정하는 소자에 대하여 100 Ω이하) 접합저항이 되도록 하기 위해서, 터널 배리어층 두께가 12 Å 보다 작은 값이 되도록 하는 것이 바람직하며, 터널 배리어층 두께가 12 Å 이고 평균표면 높이 요철이 5 Å 이하일 경우, 높은 저항변화율과 양호한 고주파수 응답 모두를 달성하는 것이 가능하다.
이 결과들은 적층 순서를 반전시킨 경우에도 동일하였다.
도 8 은 접합저항 및 자성 박막 표면요철에 대한 저항변화율의 의존성을 나타낸다.
막 구조는 도 6 과 관련하여 상술한 것과 동일하다. 평균 표면 요철이 증가하면, 낮은 저항 영역에서, 저항변화율, 즉, 출력은 현저한 감소를 나타낸다. 즉, 낮은 저항에서 고출력을 달성하기 위해서, 자성 박막의 평균 표면요철이 5 Å 보다 크지 않도록 유지하는 것이 중요하다.
특히, 소자크기의 축소 (1 ㎛ 이하의 소자높이와 1 ㎛ 이하의 소자폭) 가 장래에 예견되기 때문에, 소자의 양호한 고주파수 반응을 유지하기 위해서는 접합저항을 작게 하는 것이 필요하며, 또한, 높은 저항 변화율을 갖는 소자를 갖는 것이 필요하다. 본 발명의 기술은 소자크기의 축소에 의하여 나타내는 요구를 충족시키는 기술로서 매우 유용하다.
상술한 결과는 적층순서가 반전된 경우에도 동일하였다.
도 9 는 막 형성시에 도입되는 가스의 분압에 대한 자성 박막 표면요철의 의존성을 도시한다. 우선, 장치내의 진공압은 10-6내지 10-10Torr 가 되도록 한 후, 막은 그 사이에 도입되는 산소, 질소 또는 수소 가스로 형성된다. 이 도입되는 가스의 분압을 사용하여 막의 표면 높이 요철을 제어하는 것이 가능하다. 특히, 이 도입된 가스의 분압을 10-6내지 10-9Torr 의 범위 내로 설정함으로써, 평균표면요철을 5 Å 이내로 제어하는 것이 가능하다.
진공은 10-7내지 10-8Torr 범위내로 설정하는 것이 더욱 바람직하며, 이 때, 표면요철의 제어를 더 달성하는 것이 가능하다. 만약, 분압이 이 범위를 넘어서면, 스핀터널 자기저항효과 막의 결정화의 현저한 열화가 있게 되고, 표면요철이 증가하는 경향이 생긴다. 이러한 범위에서, 가스의 도입에 기인한 막 내의 불순물들의 증가로 인하여, 자기저항 변화율이 감소하는 것이 가능하다.
도면에서 나타낸 평균 표면요철은, 연속적인 적층에 의하여 달성되는 구성을 갖는 반강자성 박막 (PtMn) 의 평균 표면요철을 나타내며, Sub (기판 (10))/CoZrX (1㎛) (하부전극층 (9))/Ta (100Å) (하지층 (1)) 로 이루어진 기판 위로, 도입된 가스분압을 제어함으로써, PtMn (200) (반강자성 박막 (2))/CoFe (20) (제 3 자성박막 (3A))/CoFe(20) (제 4 자성 박막 (3C))/NiFe (10) (제 1 자성 박막 (4)) 으로 이루어진다.
이 도면은 PtMn 의 평균 표면요철을 나타내며, 그 위에 형성되는 제 1 , 제 3, 제 4 자성 박막의 평균 표면요철은 실질적으로 동일하다.
도 10 은 하부층을 산화하는 시점에서 도입되는 산소의 분압에 대한 자성 박막의 자성 박막 표면요철의 의존성을 나타낸다.
이러한 경우, 구성은 Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/Ru (6)/CoFe (20)/NiFe (10)/Al (6)-Ox/CoFe(10)/NiFe (50)/Ta(50) 이었다.
적절한 조건하에서 (10-6Torr 이상, 그리고 바람직하게는 10-10Torr 이상), 본 발명의 Ta, Zr, Hf 하지층을 산화함으로써, 자성 박막의 평평함의 현저한 향상이 있다.
또한, 평평함은 하지층에 Ti 가 사용되는 경우에도, 비록 Ta, Zr, 및 Hf 를 사용할 때와 같은 현저한 향상은 아닐지라도, 향상된다.
도 11 은, 하지층의 재료가 하지층의 산화시에 도입되는 산소의 분압에 관련되기 때문에, 하지층의 재료에 대한 저항 변화율의 의존성을 나타내는 도면이다. 막 구성은 도 10 과 관련하여 상술한 것과 동일하다. 저항 변화율은, 산소분압이 10-2Torr 보다 높으면 감소될지라도, 상술한 자성 박막의 표면요철의 향상과 함께 상승한다.
이는 표면산화의 영향이 소자의 추가되는 저항을 향상시키는 것 때문이며, 자성 박막의 악화로 인하여 자성 박막의 스핀 분극화의 감소가 생기기 때문이다. 이 결과는 비록 박층순서가 반전된 경우라도 유사하였다.
도 12 는 막형성 동안의 기판 온도에 대한 자성 박막의 표면요철 의존성을 나타낸다.
이 도면은 Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/Ru (6)/CoFe (20)/NiFe (10)/Al (3-20)-Ox/CoFe(10)/NiFe (50)/Ta(50) 의 막구성의 결과를 나타낸다.
이 도면에 나타낸 표면 높이 요철은 PtMn 표면의 표면높이 요철이다. 평균 표면 높이 요철은 감소된 기판온도에서 PtMn 막을 형성함으로써 평활화되고, 평평함이 특별히 향상되어 0 ℃ 이하의 온도에서 5 Å 보다 우수하게 된다.
평균 표면 높이 요철은 그 위에 적층되는 CoFe 막, 또한 Ru 막, 그 위의 CoFe 막, 그 위의 NiFe 막의 평균 표면 높이 요철에 영향을 주어, 터널 배리어층의 표면 높이 요철에 영향을 준다. 이러한 이유로, 막의 표면 높이 요철을 제어하기 위해서는, 터널배리어층 (5) 하부에 배치되는 CoFe/Ru/CoFe/NiFe 막들을 형성할 때, 기판온도가 0 ℃ 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
이러한 방식으로 기판온도를 0 ℃ 이하로 유지하는 결과는 PtMn 위에 CoFe 막을 형성할 때에도 CoFe 표면의 평균표면 높이요철은 도 12 에 나타낸 PtMn 의 평균 표면 높이 요철과 거의 동일하다는 것이다.
또한, 박층 순서를 반전하는 경우, 즉, Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf,Ti) (100Å)/NiFe (50)/CoFe (10)/Al (3-20)-Ox/NiFe (10)/CoFe (20)/Ru (6)/CoFe (20)/PtMn (200)/Ta(50) 의 막 구성인 경우, 유사한 결과를 획득할 수 있다.
도 13 은 비자성막 두께에 대한 반강자성적으로 결합된 3 층막의 포화 자계의 의존성을 나타낸다.
도면은 Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf) (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/(Ru, Cr, Rh, Ir, Ti) (4-16)/CoFe (20)/NiFe (10)/Al (3-10)-Ox/CoFe(10)/NiFe (50)/Ta(50) 의 막구성에 대한 결과를 나타낸다.
비자성 박막이 10 Å 보다 작도록 감소될 경우, 포화자계는 현저한 증가를 나타낸다. 포화자계는 5 내지 6 Å 의 포화를 나타내고, 4 Å 이하에서는 자성 박막들 (핀홀들) 사이에 직접 접촉으로부터 현저한 영향이 있다.
비자성층으로서 Ru, Cr, Rh, 및 Ir 를 사용함으로써, 큰 포화자계 (즉, 반강자성적으로 결합되는 자계) 가 획득되고, Ti 또는 다른 금속으로는, 충분한 반강자성 결합 특성을 달성하는 것이 가능하지 않다. 이 결과들은 박층 순서를 반전하더라도 동일하다.
도 14 는 여러 배리어층 재료에 대하여 터널배리어층 두께에 대한 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 막의 저항 변화율의 의존성을 나타낸다.
이 도면은 Sub/CoZrX (1㎛)/(Ta,Zr,Hf) (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/(Ru, Cr, Rh, Ir) (4-16)/CoFe (20)/NiFe (10)/(Al (3-20)-Ox, Ta (3-20)-Ox, Al (3-20)-Nx, Mg (3-20)-Ox, Si (3-20)-Ox)/CoFe (10)/NiFe (50)/Ta (50) 의 막구성에 대한 결과를 나타낸다.
15 % 의 값이 어느 재료에 대하여도 저항 변화율로서 획득되며, 초박막 영역에서는, 배리어층 또는 배리어 높이의 균일함의 영향이 관측되어, 저항변화율이 재료 사이에 큰 차이가 나타난다.
Al 산화층을 사용하여, 높은 저항변화율이 4 Å 범위에서도 달성된다. 이 조건들 하에서는, 접합저항은 배리어층 두께의 감소에 따라 단조감소로 나타난다. 또한, 본 발명과의 비교의 목적으로 제조된 SiOx 배리어의 저항에는 아무런 변화가 없었다.
도 15 는 고분극화 재료가 배리어 계면에 삽입되는 경우 저항 변화율 삽입두께의 의존도를 나타낸다.
도면은 Sub/CoZrX (1㎛)/Ta (100Å)/PtMn (200)/CoFe (20)/Ru (6)/CoFe (20)/(Co, FeCo, NiFeCo, Fe) (1-25)/Al (3-20)-Ox/CoFe (10)/NiFe (50)/Ta (50) 의 막구성의 결과를 나타낸다.
저항변화율은 높은 분극화를 갖는 강자성층의 삽입에 의하여 증가되며, 이러한 영향은 1 내지 3 Å 범위에서도 검증되었다.
도 16 은 본 발명에 따른 차폐형 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분 단면도를 나타낸다. 자기저항효과 소자 (1) 는 상부 자기차폐 (14) 및 하부 자기차폐 (15) 위에 적절한 수의 층을 적층함으로써, 그 사이에 상부 전극재료 (13) 및 하부 전극재료 (19) 를 개재하여 형성한다. 스핀터널 자기저항효과 막 (11) 은 절연층 (12) 의 측면상에 커버되며, 이와 영구 자석 막 (8) 을 인접하게 하여, 자계를 탐지하는 자기층 내에 단일 자구를 형성한다.
도 17 은 본 발명에 따른 요크형 스핀터널 자기저항효과 소자의 부분단면도 및 정면도이다. 이 스핀터널 자기저항효과 소자는 페라이트 기판에 적층되고 패터닝된다. 차폐형과 유사하게, 영구자석 막은 스핀터널 자기저항효과 막과 인접 접촉하여, 자계를 탐지하는 자기층 내의 단일 자구를 형성하여, 외부 자계에 요크에 의하여 유도된다.
도 18 은 스핀터널 자기저항효과 막 높이가 0.4 ㎛ 이고 폭이 0.4 ㎛ 인 소자의 MR 곡선을 나타내며, 이 소자의 인접 CoCrPt 영구자석 막은 자구 안정 막으로서 배치된다.
이 곡선들로부터, 영구 자석막에 의하여 자구 안정성이 달성되며, 이러한 비선형 출력은 바크하우젠 점프 (Barkhausen jump) 에 의하여 회피되며, 또한, 종래 자기저항효과 막 크기의 6 내지 10 배의 출력을 달성한다.
도 19 는 기록 및 재생헤드에서 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 막을 사용하는 자기 기록 및 판독 장치를 나타낸다.
도 19 에 나타낸 자기 기록 및 판독 장치는, 자기 기록매체 (102) 를 회전시키는 구동 모터 (101), 재생 및 판독헤드 (103) 가 탑재되는 서스펜션 (104) 및 아암 (arm; 105), 헤드 (103) 의 위치제어를 수행하는 엑츄에이터 (106) 로 이루어진다.
기록 및 판독 헤드 (103) 는 도 1a 내지 도 2b 에 나타낸 바와 같이 스핀터널 자기저항효과막에 의하여 형성된 자기저항효과 소자으로 이루어지며, 이 막은 자기 기록매체 (102) 상에 기록되는 정보를 재생하는 기능을 하며, 자기 기록매체(102) 상에 기록 기능을 수행하는 역할을 하는 기록 유닛으로서 기능한다.
기록 및 판독 동작은 기록 및 재생 채널 (107) 로부터 기록 및 재생헤드 (103) 로의 신호에 의하여 행해진다. 이 기록 및 판독 채널 (107), 기록 및 재생 헤드 (103), 기록 헤드 (103) 위치 엑츄에이터 (106), 및 자기 기록매체 (102) 를 회전시키는 구동 모터 (102) 는 제어 유닛 (108) 에 의하여 제어된다.
이 자기 기록 및 판독 장치에서, 자기판독은 본 발명에 따른 스핀터널 자기저항효과 막으로 구성된 자기저항효과 소자 (자기저항효과 센서) 에 의하여 수행되기 때문에, 100 기가비트/인치제곱 의 높은 영역 밀도로 우수한 판독 가능한 자기 기록 및 판독 장치를 얻는 것이 가능하다.
상술한 기술적 구성요소을 채택함으로써, 본 발명은 우수한 열 안정성을 달성하고, 자기헤드의 사용에 있어 충분히 낮은 저항을 나타내며, 스핀터널 자기저항효과 막과 자계가 0 인 범위에서 선형인 높은 자계 감도를 갖는 스핀터널 자기저항막 소자를 달성하는 것을 가능하게 하며, 또한, 이 막 및 소자를 사용한 자기 장치를 달성하는 것을 가능하게 한다.

Claims (29)

  1. 각각이 연속적으로 적층되어 있는, 적어도 하부 전극층/반강자성 박막/제 1 자성 박막/터널 배리어층/제 2 자성 박막/상부 전극층의 구조를 구비하며,
    상기 반강자성 박막에 따른 상기 제 1 자성 박막의 교환 결합 자계는 Hr 이고, 상기 제 2 자성 박막의 보자력은 Hc2 이며, 상기 Hr 과 Hc2 는 관계식 Hc2<Hr 을 만족하고,
    상기 하부 전극층과 상기 반강자성 박막 사이에 배치되고 Ta, Zr, Hf, 또는 그 합금으로 이루어진 하지층을 더 구비하며,
    상기 하지층 상의 상기 반강자성 박막의 표면의 평균 요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 박막의 표면의 평균 요철은 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  3. 각각이 연속적으로 적층되어 있는, 적어도 하부 전극층/반강자성 박막/제 3 자성 박막/비자성 박막/제 4 자성 박막/제 1 자성 박막/터널 배리어층/제 2 자성 박막/상부 전극층의 구조를 구비하며,
    상기 제 3 자성 박막과 상기 제 4 자성 박막은 상기 비자성 박막을 통하여 반강자성적으로 결합되어 있고,
    상기 반강자성 박막에 따른 상기 제 1 자성 박막의 교환 결합 자계는 Hr 이고, 상기 제 2 자성 박막의 보자력은 Hc2 이며, 상기 Hr 과 Hc2 는 관계식 Hc2<Hr 을 만족하고,
    상기 하부 전극층 및 상기 반강자성 박막 사이에 배치되고 Ta, Zr, Hf, 또는 그 합금으로 이루어진 하지층을 더 구비하며,
    상기 하지층 상의 상기 반강자성 박막의 표면의 평균 요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 박막의 표면의 평균요철은 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  5. 각각이 연속적으로 적층되어 있는, 적어도 하부 전극층/제 2 자성 박막/터널 배리어층/제 1 자성 박막/반강자성 박막/상부 전극층의 구조를 구비하며,
    상기 반강자성 박막에 따른 상기 제 1 자성 박막의 교환 결합 자계는 Hr 이고, 상기 제 2 자성 박막의 보자력은 Hc2 이며, 상기 Hr 과 상기 Hc2 는 관계식 Hc2<Hr 을 만족하고,
    상기 하부 전극층과 상기 제 2 자성 박막 사이에 배치되고 Ta, Zr, Hf, 또는 그 합금으로 이루어진 하지층을 더 구비하며,
    상기 하지층 상의 상기 제 2 자성 박막의 표면의 평균요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  6. 각각이 연속적으로 적층되어 있는, 적어도 하부 전극층/제 2 자성 박막/터널 배리어층/제 1 자성 박막/제 4 자성 박막/비자성 박막/제 3 자성 박막/반강자성 박막/상부 전극층의 구조를 구비하며,
    상기 제 3 자성 박막과 상기 제 4 자성 박막은 상기 비자성 박막을 통하여 반강자성적으로 결합되어 있고,
    상기 반강자성 박막에 따른 상기 제 1 자성 박막의 교환 결합 자계는 Hr 이고, 상기 제 2 자성 박막의 보자력은 Hc2 이며, 상기 Hr 및 Hc2 는 관계식 Hc2<Hr 을 만족하고,
    상기 하부 전극층과 상기 제 2 자성 박막 사이에 배치되고 Ta, Zr, Hf, 또는 그 합금으로 이루어진 하지층을 더 구비하며,
    상기 하지층 상의 상기 제 2 자성 박막의 표면의 평균요철이 0.1 내지 5 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반강자성 박막은 PtMn, PtMn-X (여기서, X 는 Ru, It, Cr, Fe, Co, Ni, Pd, 또는 Rh), PdMn, 및 NiMn 으로 구성된 그룹으로부터 선택된 부재, 또는 그 2 개의 부재의 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하지층의 막 두께는 10 내지 100 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층은 Al 산화막, Al 질화막, Ta 산화막, 및 Mg 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택된 층, 또는 상기 선택된 막의 2 개 이상의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층의 두께는 3 내지 12 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 박막 또는 상기 제 2 자성 박막은 주 성분으로 Ni, Fe, Co, FeCo, NiFe, 또는 NiFeCo 를 가지는 자성막이고,
    상기 자성 박막의 막 두께는 3 내지 100 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  12. 제 1 항에 있어서,
    차폐 효과를 갖는 비결정성 자성 재료 및 비자성 재료의 적층막이 상기 하부 전극층으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비결정성 자성 재료는 주 성분으로 CoZr 을 가지는 합금인 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 반강자성적으로 결합된 상기 제 3 자성 박막과 상기 제 4 자성 박막 사이에 개재되는 상기 비자성 박막은 Ru, Cr, Rh, 및 Ir 로 구성된 그룹으로부터 선택되거나, 또는 상기 그룹으로부터 선택된 2 개 이상의 부재를 구비하고,
    상기 제 3 자성 박막 또는 상기 제 4 자성 박막은 Co, FeCo, NiFe, 및 NiFeCo 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 비자성 박막의 막 두께는 4 내지 10 Å 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층과 상기 제 1 자성 박막 또는 상기 제 2 자성 박막 사이의 계면에 삽입된 1 내지 20 Å 의 범위 내의 두께를 갖는 Co, Fe, FeCo, 또는 NiFeCo 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과막.
  17. 제 1 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과막을 제조하는 방법에 있어서,
    표면의 평균요철을 제어하는 수단이 산소, 질소, 수소 또는 그 혼합 가스를 10-6Torr 내지 10-9Torr 범위의 압력에서 막 성장 챔버 내로 도입하는 것에 의하여 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과막을 제조하는 방법에 있어서,
    표면의 평균요철을 제어하는 수단이 산소, 질소, 수소 또는 그 혼합 가스를 가지는 가스를 10-7Torr 내지 10-8Torr 의 범위의 압력에서 막 성장 챔버 내로 도입하는 것에 의하여 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과막을 제조하는 방법에 있어서,
    표면의 평균요철을 제어하는 수단이 Ta, Zr, Hf, 또는 그 합금으로 제조된 하지층의 표면의 산화를 초래하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과막의 제조 방법에 있어서,
    표면의 평균요철을 제어하는 수단이 막 성장 동안에 기판을 0 ℃ 이하의 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 9 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과막을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 터널배리어층은 산소, 질소, 또는 산소기 또는 질소기를 포함하는 가스를 10-7Torr 내지 10-10Torr 의 진공 내로 도입하고, 산화 또는 질화를 수행함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층 산화 또는 질화는 실온 내지 250 ℃ 의 범위의 기판 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 스핀터널 자기저항효과 소자에 있어서,
    제 1 항에 기재된 자기저항효과막이 0.1 내지 1.0 ㎛ 의 범위 내의 소자 높이, 0.1 내지 1.0 ㎛ 의 범위 내의 소자 너비, 40 내지 100 Ω 내의 소자 저항을 갖는 소자로 제조되는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 박막에서 단일 자구를 초래하기에 충분한 바이어스 자계를 생성하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과 소자.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 바이어스를 생성하는 수단은 상기 제 2 자성 박막과 인접하여 결합하여 배치된 반강자성 박막 또는 영구 자석 막인 것을 특징으로 하는 스핀터널 자기저항효과 소자.
  26. 제 23 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과 소자의 상하에서 상기 스핀터널 자기저항효과 소자를 샌드위치하는 차폐 효과를 가지는 연자성 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 차폐형 스핀터널 자기저항 센서.
  27. 신호 필드가 차폐 효과를 갖는 연자성 재료에 의하여 제 23 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과 소자로 안내되는 것을 특징으로 하는 요크형 스핀터널 자기저항 센서.
  28. 제 23 항에 기재된 스핀터널 자기저항효과 소자, 및 탐지된 자계의 함수로 상기 스핀터널 자기저항효과 소자의 저항 변화율을 탐지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 탐지 시스템.
  29. 정보가 기록되는 자기 기록 매체, 상기 자기 기록 매체 상에 기록된 정보를 재생하는 제 26 항에 기재된 자기저항 센서, 및 상기 자기 기록 매체 상의 선택된 위치로 상기 자기저항 센서의 이동을 제어하기 위한 액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 장치.
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